我国的测量坐标系.doc

WGS-84坐标系WGS-84的定义：WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系，WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数 长半径：a=63781372（m）； 地球引力常数：GM=3986005108m3s-20.6108m3s-2； 正常化二阶带谐系数：C20=-484.1668510-61.310-9； J2=10826310-8 地球自转角速度：=729211510-11rads-10.15010-11rads-1建立WGS-84世界大地坐标系的一个重要目的，是在世界上建立一个统一的地心坐标系。 2.2.2 国家大地坐标系 1.1954年北京坐标系（BJ54旧）坐标原点：前苏联的普尔科沃。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：分区分期局部平差。存在问题：（1）椭球参数有较大误差。（2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜。（3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。（4）定向不明确。 2.1980年国家大地坐标系（GDZ80）坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：1975年国际椭球。平差方法：天文大地网整体平差。特点：（1）采用1975年国际椭球。（2）参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基础上建立起来的。（3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。 （4）定向明确。 （5）大地原点地处我国中部。 （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。3.新1954年北京坐标系（BJ54新）新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980年国家大地坐标系（GDZ80）转换得来的。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：天文大地网整体平差。BJ54新的特点 ：（1）采用克拉索夫斯基椭球。 （2）是综合GDZ80和BJ54旧 建立起来的参心坐标系。 （3）采用多点定位。但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。 （4）定向明确。 （5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。 （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。 （7）与BJ54旧 相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定向不同。 （8） BJ54旧 与BJ54新 无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。2.2.3 地方独立坐标系在生产实际中，我们通常把控制网投影到当地平均海拔高程面上，并以当地子午线作为中央子午线进行高斯投影建立地方独立坐标系。地方独立坐标系隐含一个与当地平均海拔高程对应的参考椭球地方参考椭球。地方参考椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同，其长半径则有一改正量。设地方独立坐标系位于海拔高程为h的曲面上，该地方的大地水准面差距为，则该曲面离国家参考椭球的高度为：又由独立坐标系的定义知：于是，地方参考椭球和国家参考椭球的关系可以表述为：.4.1 恒星时ST 定义： 以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为恒星时。 计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒； 一个恒星日=24个恒星小时=1440个恒星分=86400个恒星秒 分类：真恒星时和平恒星时。2.4.2 平太阳时MT 定义：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳时。 计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒；一个平太阳日=24个平太阳小时=1440平太阳分=86400个平太阳秒 平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，通常钟表所指示的时刻正是平太阳时。2.4.3 世界时UT 定义：以平子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT。2.4.4 原子时IAT原子时是以物质内部原子运动的特征为基础建立的时间系统。 原子时的尺度标准：国际制秒（SI）。 原子时的原点由下式确定：AT=UT2-0.0039(s） 2.4.5 协调世界时UTC 为了兼顾对世界时时刻和原子时秒长两者的需要建立了一种折衷的时间系统，称为协调世界时UTC。根据国际规定，协调世界时UTC的秒长与原子时秒长一致，在时刻上则要求尽可量与世界时接近。 协调时与国际原子时之间的关系，如下式所示： IAT=UTC+1sn （n 为调整参数） 2.4.6 GPS时间系统GPST GPST属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，GPST的原点与国际原子时IAT相差19s。有关系式： IAT-GPST=19（s） GPS时间系统与各种时间系统的关系见图2-6所示2000国家大地坐标系国家大地坐标系是测制国家基本比例尺地图的基础。根据中华人民共和国测绘法规定，中国建立全国统一的大地坐标系统。 建国以来，中国于上世纪50年代和80年代分别建立了1954年北京坐标系和1980西安坐标系，测制了各种比例尺地形图，在国民经济、社会发展和科学研究中发挥了重要作用，限于当时的技术条件，中国大地坐标系基本上是依赖于传统技术手段实现的。54坐标系采用的是克拉索夫斯基椭球体。该椭球在计算和定位的过程中，没有采用中国的数据，该系统在中国范围内符合得不好，不能满足高精度定位以及地球科学、空间科学和战略武器发展的需要。上世纪70年代，中国大地测量工作者经过二十多年的艰巨努力，终于完成了全国一、二等天文大地网的布测。经过整体平差，采用1975年IUGG第十六届大会推荐的参考椭球参数，中国建立了1980西安坐标系，1980西安坐标系在中国经济建设、国防建设和科学研究中发挥了巨大作用。 随着社会的进步，国民经济建设、国防建设和社会发展、科学研究等对国家大地坐标系提出了新的要求，迫切需要采用原点位于地球质量中心的坐标系统（以下简称地心坐标系）作为国家大地坐标系。采用地心坐标系，有利于采用现代空间技术对坐标系进行维护和快速更新，测定高精度大地控制点三维坐标，并提高测图工作效率。 2008年3月，由国土资源部正式上报国务院关于中国采用2000国家大地坐标系的请示，并于2008年4月获得国务院批准。自2008年7月1日起，中国将全面启用2000国家大地坐标系，国家测绘局受权组织实施。 一、基本参数2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下： 长半轴 a6378137m 扁率f1/298.257222101 地心引力常数GM3.9860044181014m3s-2 自转角速度7.292l1510-5rad s-1 二、采用2000国家大地坐标系的必要性现行的大地坐标系由于其成果受技术条件制约，精度偏低、无法满足新技术的要求。空间技术的发展成熟与广泛应用迫切要求国家提供高精度、地心、动态、实用、统一的大地坐标系作为各项社会经济活动的基础性保障。从目前技术和应用方面来看，现行坐标系具有一定的局限性，已不适应发展的需要。主要表现在以下几点： 1.二维坐标系统。1980西安坐标系是经典大地测量成果的归算及其应用，它的表现形式为平面的二维坐标。用现行坐标系只能提供点位平面坐标，而且表示两点之间的距离精确度也比用现代手段测得的低10倍左右。高精度、三维与低精度、二维之间的矛盾是无法协调的。比如将卫星导航技术获得的高精度的点的三维坐标表示在现有地图上，不仅会造成点位信息的损失（三维空间信息只表示为二维平面位置），同时也将造成精度上的损失。 2.参考椭球参数。随着科学技术的发展，国际上对参考椭球的参数已进行了多次更新和改善。1980西安坐标系所采用的IAG1975椭球，其长半轴要比现在国际公认的WGS84椭球长半轴的值大3米左右，而这可能引起地表长度误差达10倍左右。 3.随着经济建设的发展和科技的进步，维持非地心坐标系下的实际点位坐标不变的难度加大，维持非地心坐标系的技术也逐步被新技术所取代。 4.椭球短半轴指向。1980西安坐标系采用指向JYD1968.0极原点，与国际上通用的地面坐标系如ITRS，或与GPS定位中采用的WGS84等椭球短轴的指向（BIH1984.0）不同。 天文大地控制网是现行坐标系的具体实现，也是国家大地基准服务于用户最根本最实际的途径。面对空间技术、信息技术及其应用技术的迅猛发展和广泛普及，在创建数字地球、数字中国的过程中，需要一个以全球参考基准框架为背景的、全国统一的、协调一致的坐标系统来处理国家、区域、海洋与全球化的资源、环境、社会和信息等问题。单纯采用目前参心、二维、低精度、静态的大地坐标系统和相应的基础设施作为我国现行应用的测绘基准，必然会带来愈来愈多不协调问题，产生众多矛盾，制约高新技术的应用。 若现在仍采用现行的二维、非地心的坐标系，不仅制约了地理空间信息的精确表达和各种先进的空间技术的广泛应用，无法全面满足当今气象、地震、水利、交通等部门对高精度测绘地理信息服务的要求，而且也不利于与国际上民航与海图的有效衔接，因此采用地心坐标系已势在必行。 三、采用2000国家大地坐标系的意义1.采用2000国家大地坐标系具有科学意义，随着经济发展和社会的进步，我国航天、海洋、地震、气象、水利、建设、规划、地质调查、国土资源管理等领域的科学研究需要一个以全球参考基准为背景的、全国统一的、协调一致的坐标系统，来处理国家、区域、海洋与全球化的资源、环境、社会和信息等问题，需要采用定义更加科学、原点位于地球质量中心的三维国家大地坐标系。 2.采用2000国家大地坐标系可对国民经济建设、社会发展产生巨大的社会效益。采用2000国家大地坐标系，有利于应用于防灾减灾、公共应急与预警系统的建设和维护。 3.采用2000国家大地坐标系将进一步促进遥感技术在我国的广泛应用，发挥其在资源和生态环境动态监测方面的作用。比如汶川大地震发生后，以国内外遥感卫星等科学手段为抗震救灾分析及救援提供了大量的基础信息，显示出科技抗震救灾的威力，而这些遥感卫星资料都是基于地心坐标系。 4.采用2000国家大地坐标系也是保障交通运输、航海等安全的需要。车载、船载实时定位获取的精确的三维坐标，能够准确地反映其精确地理位置，配以导航地图，可以实时确定位置、选择最佳路径、避让障碍，保障交通安全。随着我国航空运营能力的不断提高和港口吞吐量的迅速增加，采用2000国家大地坐标系可保障航空和航海的安全。 5.卫星导航技术与通信、遥感和电子消费产品不断融合，将会创造出更多新产品和新服务，市场前景更为看好。现已有相当一批企业介入到相关制造及运营服务业，并可望在近期形成较大规模的新兴高技术产业。卫星导航系统与GIS的结合使得计算机信息为基础的智能导航技术，如车载GPS导航系统和移动目标定位系统应运而生。移动手持设备如移动电话和PDA已经有了非常广泛的使用。窗体顶端中国大地坐标系建设主要进展 2008-12-3 16:17:41 新闻类别：大地测量论文摘要:世界各发达国家及我国周边国家大多启用了新的地心坐标系，而且地心坐标系的精度在不断精化。我国地心坐标系的建立也已处于重要关头，中国学者除紧跟国际大地坐标系的发展动态外，也认真研究了我国现有法定坐标系存在的问题，探讨了我国新一代地心坐标系发展的目标，及坐标系的定义、建立和维持等种种理论问题和实践问题。在建立我国的地心坐标系方面，国家测绘局和总参测绘局都已迈出了重要步伐，建立了200()国家GPS大地控制网，为建立新一代地心坐标系打下了坚实基础;初步完成了全国天文大地网与地面大地网联合平差，平差在地心坐标系中完成，为地心坐标系提供了密集的坐标框架点。针对1954北京坐标系和1980西安坐标系转换到地心坐标系后地形图的改正问题，学者们也作了翔实的研究，并提出了具体改化方案。为了维持地心坐标系，地心运动的监测与求解也引起了关注，并获得初步结果。坐标转换理论与实践也有较丰富的研究成果。关健词:坐标系;GPS大地控制网;地形图;地心坐标系;联合平差一、概述大地 测 量 的主要任务之一是测量和绘制地球的表面形状。为了表示、描绘和分析测量成果，必须建立大地坐标系。现行的大地坐标系统又分为局部坐标系和地心坐标系。若以参考椭球和局部地区大地水准面最为密合为原则建立大地坐标系，则由于这些大地坐标系的原点与地球质心不重合，一般称之为局部坐标系或参心坐标系;若依据空间大地测量为主要手段建立大地坐标系，且要求坐标系原点与地球质心重合，则称之为地心大地坐标系。地心 坐 标 系的建立包括地心坐标系的定义、地心坐标系的实现以及地心坐标系的维持。建立地心坐标系，首先必须从理论上给出地心坐标系的定义，包括坐标系的原点、轴向、尺度的约定和坐标系随时间的变化，以及有关的模型、常数等。坐标系一般以高精度的参考框架来实现，参考框架由一组分布合理的地面站的地心坐标和速度组成，一组自洽的站坐标集隐含了一个坐标系的原点、坐标轴的指向以及一个尺度参数，即隐含了一个地心坐标系。但是，从地球动力学的观点来看，地面点坐标因板块运动、地壳形变、潮汐负荷等因素的影响而发生变化，因此对于一个高精度的坐标系必须考虑该坐标系的维持问题，即需按一定的复测策略保证站坐标和速度的不断精化。显然，建立地心坐标系的关键在于如何得到参考框架点的地心坐标和速度10ITRS是目前国际上最精确、最稳定的全球性地心坐标系，它的定义遵循IERS定义协议地球坐标系的法则，即ITRS的原点位于地心，地心定义为包括海洋和大气的整个地球的质量中心;它的尺度单位是在引力相对论意义下的局部地球框架内定义的米;它的定向由BIH1984.0给出，定向的时间演化相对于地壳不产生残余的全球性旋转。ITRS通过国际地球参考框架ITRF来实现，ITRF是基于多种空间技术(GPS,SL R,V LBI,D ORIS)得到的地面站的站坐标集和速度场，ITRF的参考框架点已达300多个，并且是全球分布的。ITRF所有框架点的速度场通过多年数据计算得到。二、主要发达国家及周边地区大地坐标系统建设的进展采用 地 心 坐标系是国际测量界的总趋势。北美、欧洲、澳大利亚等发达国家和地区都相继建成了地心坐标系。北美早在1986年就完成了北美大地坐标系NAD83的建立，对遍布美国、加拿大、墨西哥以及中美地区的26万余个大地点进行了整体平差，获得了26万余点的地心坐标2o N AD83努力使它与W GS84为同一地心坐标系。在GPS技术强有力的支持下，美国不断更新地心坐标的精度。1984年建立了WGS84(即所谓的世界大地坐标系统1984);1996年作了进一步改进，标以WGS84(G873 )，历元为1997. 0; WGS84 ( G873)与ITRF2000的符合程度在5 cm 3,410 2001年美国又对WGS84进行了再次精化，取名为WGS84(G1150)4,51.W GS84(G1150)与ITR F2000的符合程度在1 cm 4,51。美国已经建成GPS连续运行网(CORS)，有300余个永久GPS跟踪站。欧洲 参 考 系ETRS及南美洲参考系SIRGAS都是洲级坐标系，它们是地区性地心坐标系。在定义上，它们也遵循IERS定义协议地球坐标系的法则，ETRS和SIRGAS的建立者明确指出这两种坐标系与ITRS同属于一个坐标系，它们要做的工作就是如何使这种地区性坐标系与ITRS尽可能的一致。现在，EUREF的框架点数已接近ITRF,E UREF是ITRF在欧洲大陆的加密，而SIRGAS是ITRF在南美洲的加密。EUREF的维持基于欧洲60多个永久观测站的站坐标时间序列，而SIRGAS的维持基于分布南美大陆以及周边两个岛屿上的若干个IGS站的速度场以及板块运动模型(这主要针对没有重复观测的框架点而言)，它的发展方向是基于南美大陆上的GPS永久观测站的速度场。需特别指出的是，EUREF是固联于欧洲板块的，因此它的速度场在计算时扣掉了欧亚板块的整体运动。我 国周 边 国家大地坐标系的建设也取得了长足进展。从2000年4月起，日本启用新的大地基GD2000，该系统采用国际地面参考系统(ITRS)的定义，历元为1997.0;蒙古建立了新的大地坐标框架MONREF97，该系统与WGS84基本一致;韩国于1998年推出了新型的地心坐标系统K GD2000,历元为2000.0;新西兰建立了NZGD2000.0; 马来西亚也建立了NGRF20005,61o目前国际上多数发达国家和地区都已着手将传统局部大地坐标基准向全球统一的地心坐标基准过渡，其主要手段均基于空间大地测量技术，如V LBI,SLR和GPS，其中利用GPS连续运行站建立地心坐标框架最为普遍。在此基础上，将局部或区域传统地面大地控制网纳入其中，进行联合处理，获得其高精度、高密度的控制点地心坐标。三 、我国地心坐标系建设的主要进展中国学者对我国新一代地心坐标系的建立一直给予高度关注。学者们对中国现有大地坐标系存在的问题进行了充分的讨论，对建立我国新一代地心坐标系的可行性和方法也作了详细研究和描述2,3,一，0。陈俊勇、魏子卿、顾旦生等大地测量学家已建议，我国地心坐标系的定义应与ITRS协议(地球参考系)一致，即坐标系原点为包括海洋和大气的整个地球的质心;尺度为在引力相对论意义下局部地球框架的尺度;定向的初始值由1984.0时BIH(国际时间局)定向给定，而定向的时间演化应保证相对地壳不产生残余的全球旋转2,3,9,10。此外，中国学者对相应于新坐标系的参考椭球也作了详细描述3,90在实现我国的地心坐标系方面不外乎3种方法: 通过公共点将原有控制点的参心坐标转换成地心坐标; 直接布测新的空间大地网，在全球知高精度地心坐标的大地点控制下直接解算新测点的地心坐标; 将原有地面网点与新测的空间网点进行整体平差，求得统一的控制点的地心坐标。我国法定的国家大地坐标系为1954北京坐标系和1980西安坐标系，这两个坐标系是通过地面三角网经过逐级平差及整体平差获得的，简称54坐标系和80坐标系。54坐标系和80坐标系均属参心坐标系，即坐标轴原点位于参考椭球中心。54坐标系和80坐标系的最大特点是短距离精度高、控制点密度大，它们在国家国民经济建设、国防建设中均发挥了重要作用川。为了与国际通用的地心坐标发生联系，可采用上述第一种方法，即利用部分公共点将54坐标系或80坐标系直接转换到地心坐标系。然而由于我国地面大地控制网采用逐级控制，地面网点坐标的累积误差较大，无论采用何种坐标转换模型，均不可避免地带来误差，小则分米级，大则数十米级12。这种坐标转换法仅适合于局部地区的坐标转换，不能用于全国范围的地心坐标系的建立。我国 20 世纪70年代建成的SLR站，80年代后期建成V LBI站，对初步建立我国的地心参考系也起了重要作用。步人20世纪90年代后，我国有关测绘部门抓住机遇，在全国范围内(台湾省除外)布设了全国GPS一、二级网，建立了我国地心坐标系的基本参考框架，框架点的地心精度约0.1 m。经过多年努力，有关部门又完成了GPS一级网与地面网的第一次联合平差，建立了接近5万点的1995北京大地坐标系BGS1995。它属地心坐标系，地面任一点在这一地心坐标系中的精度约为1.0m 137o我国台湾地区也建成了一个由8个GPS永久跟踪站组成的地心参考框架，通过对IGS站的紧约束，这一框架与ITRF一致，精度在厘米级。继全 国 G PS一、二级网后，国家测绘局还布测了国家GPSA ,B 级网，中国地震局与总参测绘局及国家测绘局一起又布测了地壳运动观测网络GPS网。这些网包括各类型的高精度GPS点2000多个，经过与国际IGS站的统一处理可以构成我国地心坐标系的基本框架。总参测绘局、国家测绘局、中国地震局通力合作已于2003年初步完成了我国三类GPS网的联合平差，取名为“2000国家GPS大地控制网”，历元为2000.0。通过对各GPS网的观测数据进行统一平差，消除了其间的不符值，建立了基于ITRF97坐标框架的全国范围的GPS控制网，解决了各个网的基准统一问题，增强了统一后各GPS网的精度和可靠性。平差中以IGS站和网络工程点作为坐标框架，在其他网中适当加人尺度和3个坐标旋转参数，这些参数可以吸收各GPS网中存在的尺度系统误差、定向误差及地壳运动引起的点位误差等与基准有关的误差，使它们在整网平差时自动向IGS站和高精度的网络工程GPS点坐标基准转换;平差中采用了双因子抗差估计方法探测和控制相关观测量的异常影响;采用了方差分量估计，改善了各子网在整体网平差中的权比。如此，2000国家GPS大地控制网标定的坐标系统具有很好的现势性，且平均点位坐标精度优于3 cm 141，所构成的框架点坐标暂称为“中国2000坐标系”。由于地壳运动观测网络的GPS点位分布不均匀，全国GPS一、二级网和国家GPSA ,B 级网尽管点位分布较均匀，但是点的密度太低，不足以作为我国地心坐标系统的框架。为此，总参测绘局与国家测绘局先后进行了全国天文大地网与空间GPS网的联合平差，2003年总参测绘局已初步完成了平差计算与分析，联合平差是在2000国家GPS大地控制网基础上进行的，坐标系统采用中国2000地心坐标系。平差计算了全国天文大地网近50 000点的地心坐标，其地面网点的3维点位中误差为亚米级。其中38 693点小于0.2 m，占80.2%,44 384点小于0.3 m，占92.1%,1 101点大于0.5 m，约占2.3%，平均0.15 m。水平位置中误差，423 12点小于0.2 m ，占87.2%,45 550点小于0.3 m，占93.8%,763点大于0.5 m,约占1.6%，平均0.12 m。大地高中误差，20 747点小于0.2 m，占3维平差点(23 412点)的88.6%,22 412点小于0.3 m，占95.7%,35点大于0.5 m,约占1.5%，平均0.14 m。外部检核点位中误差约为0.4 m151。进一步的分析和改进仍在进行中。一个基本结论是，在2000国家GPS大地控制网控制下，联合平差后的我国天文大地网点的3维坐标精度一般优于0.5 m。联合平差后的地面网点可作为中国2000坐标框架的加密。在高精度地心坐标系的建立与维持方面，我国与国际水平还有一定的差距。国内现有的地心坐标系点位精度还不高，ITRS,E TRS坐标系的精度已达1 cm，而我们地心坐标系参考框架点的绝大部分精度仍在分米级;再次，ITRF或EUREF等都有永久GPS观测站对其进行维持，而国内地心坐标系尚未考虑坐标系的维持。四、大地坐标系的更新对地形图的影响更新 一 个 国家的坐标系统是一项非常复杂的问题，它涉及到点位新坐标的获取，与地理信息有关的图件资料的更改等问题。大地坐标系是测制地形图的基础，大地坐标系的改变必将引起地形图要素产生位置变化或产生变形。若图上要素的变化量大于人眼的分辨率，则必须考虑旧地形图的改正。一般来说，由于局部坐标系的原点偏离地心较大(接近200 m)，则采用地心坐标系后，无论是1954北京坐标系还是1980西安坐标系的地形图均须作必要的改正9。陈俊勇、魏子卿等详细研究了大地坐标系的更新对地形图的影响。中国 由 1980西安